Optoelectronic Packaging - VDE

1.3.6 Optische Schalter
Optische Schalter lassen sich in Anlehnung an die im vorigen Kapitel besprochenen
Koppler ebenfalls in unterschiedlichen Materialsystemen herstellen. Der einfachste
Fall ist als Abwandlung des althergebrachten elektromechanischen Relais realisiert
worden. Hierbei wird eine einkommende Faser mechanisch von einer Ausgangsfaser zu einer zweiten Faser bewegt. Die Schaltzeit liegt bei einigen Millisekunden,
und die intrinsischen optischen Koppelverluste liegen im Bereich von etwa 0,2 dB.
Die mittlere Lebensdauer mit über zehn Millionen Schaltungen ist sehr gut. Die
Größe dieser Bauteile beschränkt ihr Einsatzgebiet jedoch auf das Labor und auf
eine geringe Zahl von Schaltwegen. Für den Einsatz in Netzen bieten sich aber andere Techniken an, die eine wesentlich höhere Packungsdichte und einen geringeren
Energieverbrauch versprechen. In Bild 1.26 und Bild 1.27 ist ein Erfolg versprechender Ansatz der Fa. Agilent dargestellt, basierend auf der gut bekannten Bubblejet-Technik aus der PC-Druckertechnik. Auf einer Siliziumplattform werden in
Silica-Technik (siehe Abschnitt 3.10) Wellenleiter gekreuzt aufgebracht, die an ihrer Schnittstelle mit einer Bohrung versehen werden. Passiert Licht die Kreuzungsstelle, wird es durch den Brechungsindexsprung zur Luft seitlich total reflektiert.
Nun füllt man die Bohrung mit einer brechungsindexangepassten Flüssigkeit. Der
Lichtstrahl wird jetzt nicht mehr reflektiert, sondern geht geradeaus weiter. Man
kann damit zwei Schalterzustände generieren und die Signale zu verschiedenen
Ausgängen schicken, wie in Bild 1.27 gezeigt wird. Die Packungsdichte dieser Anordnung ist um den Faktor 100 größer als bei den rein mechanischen Schaltern, die
Schaltzeiten liegen aber immer noch in derselben Größenordnung.
Schaltmechanismus
Gasblase
Transmission
Reflexion
Bild 1.26 Schaltmechanismus Bubblejet-Schalter [Agilent 99]
Werden schnellere Schalter gebraucht, so benutzt man integriert-optische Techniken. Ein Weg ist die Herstellung von Schaltern auf Polymerbasis, deren Schaltzu-
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Bild 1.27 Optischer Schalter auf Bubblejet-Technologie basierend [Agilent 99]
stände auf thermooptischer Basis (TO) funktionieren. Schalter auf Polymerbasis
können beispielsweise zur Ersatzleitungsschaltung in defekten Glasfaserstrecken
oder zum Umlenken hochratiger Datenströme in Netzknoten und optischen
Add / Drop-Multiplexern (OADM) eingesetzt werden. Sie zeichnen sich aus durch
geringe Polarisationsabhängigkeit, niedriges Nebensprechen sowie geringe elektrische Schaltleistung bei Ansprechzeiten im Millisekunden-Bereich und sind in der
Herstellung sehr kostengünstig. In Bild 1.28 ist die Funktionsweise eines solchen
Schalters dargestellt. Es werden zwei Lagen Wellenleiter übereinander im Sandwich-Aufbauweise unter Verwendung von Standardprozesstechniken wie beispielsweise UV-Lithografie und Reaktives Ionenätzen (RIE, Reactive Ion Etching)
gefertigt. Auf der Oberseite wird eine Heizelektrode aufgedampft, die mit einer
Temperaturänderung des Wellenleiters dessen Brechungsindex ändert. Damit wird
das optische Feld so stark aufgeweitet, dass es in den unteren Wellenleiter überkoppeln kann und dort weitergeleitet wird. Wird die Elektrode nicht mehr betrieben, ist
der Prozess reversibel, und das Licht wird im oberen Leiter geführt.
Will man Schaltungen im Nanosekundenbereich realisieren, um z. B. einzelne Bits
aus einem Zeitmultiplexdatenstrom auszusondern, so muss man andere Schaltprinzipien verfolgen als thermische und mechanische. Die Funktionsweise eines
„schnellen“ Schalters ist in Bild 1.29 dargestellt. Aus einem von links eintreffenden
Datenstrom wird ein Bit ausgewählt, das ausgekoppelt werden soll (data demux).
Unter Zuhilfenahme eines Steuerpulses (control in) wird das Bit vom übrigen Bit-
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Aus
An
Draufsicht
Durchgang
Überkopplung
Aus
An
Polymer
Polymer
Silizium
Silizium
Frontansicht
Bild 1.28 Schaltzustände des polymeroptischen Schalters [Keil99]
strom (data transmitted) getrennt. Die kurzen Schaltzeiten werden erreicht, indem
man Halbleiterverstärker so geeignet einsetzt, dass deren Verstärkung optisch anund abgeschaltet wird. Die genaue Beschreibung der Schaltweise würde den Umfang und das Ziel des Buchs sprengen, sodass an dieser Stelle nur auf die entsprechende Fachliteratur hinweisen werden kann [Agrawal96].
data in
SOA 1
data transmitted
SOA 2
data demux
Integriert optischer Schalter
control in
control out
Bild 1.29 Nanosekundenschalter [Agrawal96]
Eine spezielle Version des optischen Schalters ist der optische Modulator. Diese
Bauteile werden dazu benutzt, elektrische Daten in optische umzuwandeln. Modulatoren werden auf der Basis von Interferometer- oder Richtkopplerstrukturen auf
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